Reproduktionsmanagement bei Milchkühen – die Zukunft

Das Gesundheitsmanagement von Milchkuhherden befindet sich weltweit in einer Phase radikaler Veränderungen. Die Triebkräfte dieses Wandels sind vielfältig und umfassen die massive Zunahme von Technologien zur Unterstützung des Reproduktionsmanagements bei Milchkühen, die Abschaffung der Quoten (innerhalb Europas) und die erhebliche Zunahme der Herden-/Betriebsgröße. Nach der Abschaffung der Quoten in Europa weiten viele Länder die Milchproduktion aus. Irland beispielsweise hat ehrgeizige Pläne, die Milchproduktion um 50 % zu steigern, was durch eine Kombination aus größerer Herdengröße und höherer Milchleistung pro Kuh erreicht werden soll. Das vorliegende Papier zielt darauf ab, einige der Veränderungen zu identifizieren, die eine höhere Leistung, eine bessere Gesundheit der Milchkühe und ein besseres Reproduktionsmanagement ermöglichen.

In Europa waren die Größe und Anzahl der Milchviehherden von 1984 bis 2015 weitgehend statisch. Seit April 2015 wurden die Quoten abgeschafft, was die Möglichkeit einer Expansion eröffnete, die wahrscheinlich sowohl in Form von höheren Kuherträgen als auch in Form von höheren Kuhzahlen erfolgen wird. In Irland wird im Bericht Food Harvest 2020 (der durch den Bericht Foodwise 2025 untermauert wird) die Ausweitung der Milchproduktion um 50 % zwischen 2015 und 2020 diskutiert. Eine ähnliche Ausweitung findet in den Niederlanden statt, obwohl die Grenzwerte für Gesamtphosphat eine Herausforderung für die Ausweitung des Kuhbestands in diesem Land darstellen. Diese Übersicht konzentriert sich auf Entwicklungen in den Bereichen Datenmanagement, Ernährungsstrategien, genetische Strategien, Krankheitsbekämpfung, Präzisionsviehhaltung (Hormonbehandlungen und Sensortechnologien) und männliche Fruchtbarkeit, die potenzielle Auswirkungen auf die Steigerung der Milchproduktion, der Kuhgesundheit und der Kuhfruchtbarkeit haben werden.

Genetische Strategien zur Verbesserung der Fortpflanzung

Bis Anfang der 2000er Jahre wurde bei genetischen Selektionsprogrammen in milchproduzierenden Ländern traditionell vor allem nach der Milchleistung selektiert, häufig auf Kosten anderer milchrelevanter Merkmale, einschließlich Fruchtbarkeit und Gesundheit. Zu Beginn dieses Jahrhunderts begannen die Zuchtprogramme, die Fruchtbarkeit (z. B. durch die Einbeziehung von Merkmalen wie Langlebigkeit und Kalbungsintervalle) und die Gesundheit als Teil der Selektionsmerkmale zu berücksichtigen. Die Einbeziehung dieser Merkmale hat dazu beigetragen, einige der früheren Trends, die zu einer geringeren Fruchtbarkeit führten, umzukehren. In den letzten 15 Jahren wurde festgestellt, dass sich sowohl die Langlebigkeit (gestiegen) als auch die Abkalbefristen (gesunken) verbessert haben. Eine große Herausforderung für Zuchtprogramme im Hinblick auf die Einbeziehung von Fruchtbarkeitsmerkmalen war die Entwicklung von Phänotypen, die eine angemessene Heritabilität aufweisen. So weisen viele Fruchtbarkeitsmerkmale in der Regel nur geringe Heritabilitätsschätzungen auf (z. B. 0,1, im Vergleich zu vielen Wachstums- und Schlachtkörpermerkmalen, bei denen die Heritabilität 0,25-0,5 beträgt). Ein zweites großes Problem bei vielen Fruchtbarkeitsmerkmalen besteht darin, dass es leicht messbare phänotypische Merkmale oder genomische Marker (Einzelnukleotid-Polymorphismen; SNPs) gibt, die mit den entsprechenden Fruchtbarkeitsmerkmalen korrelieren.

Möglicherweise ergeben sich jetzt Möglichkeiten für die Auswahl neuer Merkmale, die in Zuchtprogramme aufgenommen werden könnten. Ein von der EU gefördertes Projekt „Genotype plus Environment“ (GplusE) hat unter anderem zum Ziel, neue milchbasierte Phänotypen zu identifizieren, die als Prädiktoren für die traditionellen, aber auch für die schwierig zu messenden, zu erfassenden und auszuwählenden Merkmale wie Empfängnisraten und Gebärmuttergesundheit verwendet werden können (www.gpluse.eu). Dieses Projekt zielt unter anderem auf die Entwicklung neuartiger milchbasierter Merkmale ab, die mit Gesundheits- und Fruchtbarkeitsmerkmalen bei Milchkühen korrelieren und diese vorhersagen. Zu den angewandten Strategien gehören die Messung von Mittelinfrarotspektren (MIR) in der Milch, von Metaboliten in der Milch und von Glykanen in der Immungamma-Globulin-Fraktion (IgG) der Milch. Im Rahmen des Projekts werden diese neuen messbaren Merkmale mit Fruchtbarkeits- und Gesundheitsmerkmalen in Verbindung gebracht, und anschließend werden sowohl die neuen als auch die herkömmlichen Merkmale mit neuartigen genomischen Markern (SNPs) in Beziehung gesetzt, um in Zukunft bessere Selektionsstrategien zu ermöglichen. Dieses Projekt und die Arbeiten anderer Labors sollten zu weiteren SNPs für die Fruchtbarkeit führen, die die genetische Selektion für zusätzliche Verbesserungen der Fruchtbarkeit verbessern könnten.

Neue Instrumente und Anwendungen für neue Phänotypen, die im Milchsektor verwendet werden können

Jüngste Arbeiten am University College Dublin haben zur Entwicklung von Glykanmarkern für die Gebärmuttergesundheit geführt. Daraus ist eine Patentanmeldung entstanden (PCT/EP2014/068734: „Methods for predicting, diagnosing or monitoring infections or conditions“). In der Tat wurden auch Glykanmarker auf Milchbasis entwickelt, die Kühe mit zurückgebliebenen Plazentamembranen vorhersagbar identifizieren können. Solche Biomarker, die leicht in der Milch gemessen werden können, würden es den Tierzüchtern ermöglichen, Kühe mit einer Neigung zu einer verbesserten Gebärmuttergesundheit zu selektieren und somit Kühe mit einer erhöhten Fruchtbarkeit anzustreben.

Während die In-vitro-Fertilisation (IVF) und der Embryotransfer heute wichtige Instrumente sind, um die genetische Selektion auf der weiblichen Seite bei Bos-Indicus-Rindern zu verbessern, bleibt die multiple Ovulation und der Embryotransfer derzeit die kosteneffektivere Methode für Bos-Taurus-Rinder (einschließlich aller wichtigen Milchviehrassen: Holstein-Friesian, Brown Swiss, Jersey usw.) auf Populationsebene. Dies liegt daran, dass die Bos-Taurus-Rassen nur zwischen 5 und 20 Follikel pro Follikelwellen-Entstehungsereignis produzieren, was nicht ausreicht, um eine ausreichende Anzahl von Eizellen für eine effektive IVF-Kultur zu erhalten.

Ernährungsstrategien zur Verbesserung der Fortpflanzung

Moderne Milchkühe wurden vorwiegend auf eine hohe Milchleistung in der Frühlaktation selektiert, die mit einer sehr hohen Kapazität zur Mobilisierung von Körperreserven während dieser Zeit verbunden ist. In einer Studie von Tamminga et al. mit 5 Produktionsversuchen mit 295 Kühen ergaben Berechnungen, dass Kühe zwischen 120 und 550 kg Milch aus Körperreserven auf Energiebasis produzieren können (durchschnittlich 324 kg). Die maximale Mobilisierung in 8 Wochen betrug 41,6 kg Leerkörpergewicht, 30,9 kg Fett und 4,6 kg Eiweiß. Die meisten Kühe können diese Stoffwechselbelastung bewältigen, die definiert ist als: „die gesamte Energiebelastung durch die Synthese und Sekretion von Milch, die durch die Mobilisierung von Körperreserven gedeckt werden kann“. Stoffwechselbelastung hingegen wird definiert als „die Menge an Stoffwechselbelastung, die durch diese Mobilisierung nicht aufrechterhalten werden kann und zur Herunterregulierung einiger energetischer Prozesse führt, einschließlich derer, die die allgemeine Gesundheit aufrechterhalten“. Daher ist die „übermäßige“ Mobilisierung von Körperreserven während der NEB-Phase ein Schlüsselfaktor für die Krankheitsanfälligkeit bei modernen Milchkühen. Neben der Energiebilanz nach dem Abkalben hat auch der Verlust der Körperkondition vor dem Abkalben erhebliche Auswirkungen auf den Stoffwechselstatus, die Milchzusammensetzung und die spätere Gesundheit und sollte daher berücksichtigt werden.

Die genetisch und hormonell bedingte Körpermobilisierung wird durch ein schwerwiegendes Missverhältnis zwischen dem Energiebedarf und der Fähigkeit der Kuh, Energie aufzunehmen, noch verschärft. Letztere wird oft noch zusätzlich durch eine unzureichende Anpassung des Magen-Darm-Traktes und des gesamten Intermediärstoffwechsels sowie durch ein erhöhtes Auftreten von Krankheiten in der Zeit nach dem Abkalben negativ beeinflusst. Die maximale Futteraufnahme erfolgt in der Regel in der 6. bis 8. Laktationswoche, d.h. viel später als die Spitzenproduktion, so dass die Kühe typischerweise 5-7 Wochen nach dem Abkalben eine negative Energiebilanz aufweisen.

Zu den Komponenten einer verminderten Fruchtbarkeit bei modernen Milchkühen gehören eine verzögerte Wiederaufnahme der normalen ovariellen Zyklizität, die Gesundheit der Gebärmutter, eine geringere Ausprägung von Brunstsymptomen und niedrigere Trächtigkeitsraten bei der ersten und nachfolgenden Besamung. Letzteres ist vor allem auf eine erhöhte Inzidenz des embryonalen und fötalen Todes zurückzuführen. Einschlägige Übersichtsarbeiten wurden über die mechanistischen Hintergründe des Zusammenhangs zwischen metabolischem Stress und beeinträchtigter Fruchtbarkeit bei modernen Milchkühen nach der Geburt veröffentlicht.

Managementstrategien für Übergangskühe konzentrieren sich hauptsächlich darauf, die Kühe bei der Bewältigung der metabolischen Belastung zu unterstützen, indem sie die Gesundheit optimieren, den Stress minimieren (z.B. durch minimale Änderungen der Gruppe oder der Ration), die Trockenmasseaufnahme und die Immunfunktion stimulieren. Der Tierarzt hat die Möglichkeit, das Herdenmanagement regelmäßig zu überwachen und anzupassen, um dies zu erreichen. LeBlanc und Mulligan et al. haben die wichtigsten Punkte identifiziert, auf die der Tierarzt achten sollte, um die Kunden der Landwirte bei der Optimierung des Managements der Übergangskühe optimal zu unterstützen.

Darüber hinaus war die Anwendung von Futtermitteln, die speziell zur Verbesserung der Fruchtbarkeit entwickelt wurden, indem sie Mechanismen im Zusammenhang mit der negativen Energiebilanz (NEB) entgegenwirkten oder einen spezifischen Weg unterstützten, der für eine erfolgreiche Fruchtbarkeit notwendig ist, schon immer ein sehr attraktiver Weg, um die Beeinträchtigung der Reproduktion während der frühen Laktation zu umgehen. Obwohl bekannt ist, dass das Fortpflanzungssystem von mehreren Hormonen beeinflusst wird, die auch an der Anpassung an eine hohe Milchproduktion beteiligt sind (z. B. Wachstumshormon; GH, insulinähnlicher Wachstumsfaktor I; IGF-I und Leptin), ist nur von Insulin bekannt, dass es relativ stark auf Veränderungen in der Zusammensetzung der Ration reagiert. Ovarialfollikel enthalten Insulinrezeptoren, und Kühe mit niedrigeren peripheren Insulinspiegeln in der unmittelbaren Postpartalperiode leiden unter einer verzögerten Wiederaufnahme der Ovarien nach der Geburt und einer normalen Zyklizität, unter anderem durch ein höheres Risiko, an einer zystischen Ovarialerkrankung zu leiden. Daher werden in der unmittelbaren Postpartalperiode glucogene Diäten befürwortet, um die peripheren Insulinkonzentrationen zu erhöhen und die normale Wiederaufnahme des Eierstocks zu fördern. Es hat sich jedoch gezeigt, dass Insulin schädliche Auswirkungen auf die Eizellen- und Embryokompetenz hat und den enzymatischen Abbau von Progesteron (P4) in der Leber stimuliert. Letzteres deutet darauf hin, dass glucogene Futtermittel nur dann von Vorteil sind, wenn sie in der unmittelbaren postpartalen Periode angeboten werden, während sie bei der Besamung der Kühe vermieden werden sollten.

Rationen, die zu hohen peripheren Harnstoffspiegeln führen, werden allgemein mit niedrigeren Trächtigkeitsraten in Verbindung gebracht, da sie schädliche Auswirkungen auf den Embryo haben. Die Mechanismen, durch die diese schädliche Wirkung verursacht wird, und die Schwellenwerte für die periphere Harnstoffkonzentration sind jedoch noch umstritten. Besondere Aufmerksamkeit sollte in dieser Hinsicht der Ergänzung von Sojamehl als Hauptproteinquelle in der Ration gewidmet werden. In einer kürzlich durchgeführten Studie wurde nachgewiesen, dass handelsübliches Sojaschrot Isoflavone in Konzentrationen enthält, die in der Lage sind, die Blutkonzentration östrogen aktiver Isoflavonmetaboliten (Equol, O-Desmethylangolensin, Dihydrodaidzein) bei hochleistenden Milchkühen nach der Geburt zu erhöhen, selbst wenn sie in relativ geringen Mengen (im Durchschnitt 1,72 kg pro Tag) zugeführt werden. Im Vergleich zu Rapsschrot war die Sojasupplementierung außerdem mit einer verringerten Angio- und Steroidogenese auf der Ebene des Gelbkörpers (CL) verbunden, die anhand von Biopsieproben am 9. Es war jedoch nicht möglich, eine Auswirkung auf die periphere Progesteronkonzentration während der ersten drei Brunstzyklen nach dem Kalben nachzuweisen. Obwohl die Ergebnisse dieser Studie auf negative Auswirkungen der Sojafütterung auf die Funktion der CL bei frisch abgekalbten Milchkühen hindeuten, sollte der Beitrag dieses Effekts auf die periphere Progesteronkonzentration und folglich auf die Gesamtfruchtbarkeit der gefütterten Kühe weiter erforscht werden.

Die Zugabe von Fetten ist eine weitere Strategie, die ausgiebig getestet wurde, um die beeinträchtigte Reproduktionskapazität von Milchkühen zu verringern. Eine Studie, die darauf abzielte, die negative Energiebilanz durch eine Verringerung der Milchfettsynthese zu minimieren und damit die Energieabgabe über die Milch zu begrenzen, indem die Ration mit exogenen Fetten ergänzt wurde, war nicht erfolgreich, da die Kühe einfach mehr Milch produzierten, wenn die NEB reduziert wurde. Es wird angenommen, dass Omega-6-Fettsäuren entzündungsfördernde und damit Prostaglandin F2alpha (PGF)-stimulierende Eigenschaften haben, was sie in der frühen postpartalen Phase besonders wertvoll macht, während Omega-3-Fettsäuren diese entzündungsfördernde Potenz abschwächen können, was zu einer höheren Überlebenschance des Embryos führt, wenn sie in der perikonzeptionellen Phase ergänzt werden. Leider sind die Forschungsergebnisse zu diesem Thema selten einheitlich. Die Auswirkungen dieser Fettfütterungsstrategien auf die Qualität von Eizellen und Embryonen sind nach wie vor ein spannendes Thema. Die Fütterung mit Fett kann die Mikroumgebung der wachsenden und reifenden Eizelle des frühen und älteren Embryos verändern und somit das Fortpflanzungsergebnis beeinflussen. Die Forschung hat gezeigt, dass eine diätetisch bedingte Hyperlipidämie für die Entwicklung und den Stoffwechsel des Embryos schädlich sein kann. Bislang sind die Forschungsergebnisse jedoch widersprüchlich, was wahrscheinlich auf Unterschiede bei den verwendeten Fettquellen, der Ernährung und der Dauer der Supplementierung sowie den Versuchsaufbau im Allgemeinen zurückzuführen ist. Darüber hinaus enthält das periphere Blut laktierender Milchkühe eine Mischung aus Fettsäuren aus der Nahrung und aus dem Abbau von Körpergewebe, wobei letztere in der unmittelbaren Zeit nach der Geburt besonders reichlich vorhanden sind und einen hohen Anteil an gesättigten Fettsäuren enthalten. Vor allem letztere wirken sich nachweislich sehr nachteilig auf die Qualität der Eizellen und der Embryonen aus.

Die Zugabe von zusätzlichen Vitaminen und Mineralien zum Futter wurde von verschiedenen kommerziellen Interessen oft als „goldene Lösung“ vorgeschlagen, um den Rückgang der Kuhfruchtbarkeit zu verringern, während die Anforderungen an eine optimale Reproduktionsleistung bei modernen Milchkühen auf der Grundlage gut durchdachter wissenschaftlicher Untersuchungen sorgfältig neu bewertet werden sollten. In der Regel nehmen die Landwirte diese „vorgeschlagenen Ergänzungslösungen“ bereitwillig an, da sie keinen zusätzlichen Arbeitsaufwand mit sich bringen, der oft ihr größtes Hindernis darstellt. Die Feststellung, ob die Menge dieser Verbindungen in der Ration ausreichend ist, ist für den Praktiker oft sehr schwierig, da es in der Regel unmöglich ist, den Gehalt dieser Stoffe in der Grundration Raufutter überhaupt zu schätzen. In Herden, in denen die Kühe hohe Mengen an Kraftfutter erhalten, um die Spitzenleistung in der unmittelbaren Zeit nach der Geburt aufrechtzuerhalten, ist das Risiko, an spezifischen Mängeln zu leiden, geringer, da das Kraftfutter in der Regel in hohem Maße mit Vitaminen und Mineralstoffen angereichert ist. Im Hinblick auf ihre Auswirkungen auf die Immunreaktion und die Embryoqualität sollte Vitamin E und Selen besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Letzteres wurde durch die jüngste Erkenntnis gestützt, dass in Herden, die während der Trockenstehzeit einen Tocopherolmangel aufwiesen, eine Behandlung mit injizierbarem Vitamin E in Höhe von 1000 IE pro Woche während der letzten drei Trächtigkeitswochen nicht nur das Auftreten von Plazentarückständen und Totgeburten verringerte, sondern auch den Trächtigkeitsverlust signifikant reduzierte (20,5 % gegenüber 12,5 %; P < 0,01).

Bekämpfung von Infektionskrankheiten

Tierärzte, die für die Fruchtbarkeit von Milchviehherden zuständig sind, sollten den Gesundheitszustand der Herde regelmäßig auf Krankheitserreger untersuchen, die bekanntermaßen die Reproduktionsleistung beeinträchtigen. Infektionen mit Krankheitserregern wie Leptospira hardjo, boviner Virusdiarrhoe oder Herpesviren verringern bekanntermaßen die Empfängnisrate, während Infektionen mit Neospora caninum und neu auftretenden Viren wie dem Blauzungenvirus zu Fötusverlusten und Aborten führen können. Das Rinderherpesvirus 4 hat Berichten zufolge einen Tropismus für Endometriumzellen und sollte daher in Beständen, die an Gebärmutterkrankheiten leiden, besonders überwacht und kontrolliert werden, insbesondere wenn andere Risikofaktoren kontrolliert oder ausgeschlossen werden. Neben einer kontinuierlichen sorgfältigen Überwachung und geeigneten Biosicherheitsplänen kann die Einbeziehung geeigneter Impfprotokolle erforderlich sein, um die Einschleppung neuer Erreger in die Herde und die Ausbreitung innerhalb der Herde zu verhindern.

Von besonderem Interesse unter den bakteriellen Erkrankungen ist die Minimierung von Gebärmuttererkrankungen. Bei Rindern ist die bakterielle Kontamination der Gebärmutter während der Geburt allgegenwärtig. Dies bedeutet jedoch nicht automatisch eine Gebärmuttererkrankung und nachfolgende Fruchtbarkeitsprobleme. In der Regel ist es eine Unterdrückung der Immunfunktion der Gebärmutter zusätzlich zum Vorhandensein von Krankheitserregern, die eine Verschiebung der Bakterienpopulationen und die Entstehung einer Krankheit bei bis zu 20 % der Tiere ermöglicht. Obwohl mehrere Arbeiten veröffentlicht wurden, die darauf abzielen, eine allgemeine Einigung über die Definitionen von Gebärmuttererkrankungen nach der Geburt zu erzielen, die hauptsächlich auf klinischen Symptomen beruhen, herrscht unter den Praktikern immer noch große Verwirrung über diese Definitionen. Diese Verwirrung bei den Definitionen führt dazu, dass in diesem Bereich eine Vielzahl von präventiven und kurativen Behandlungsprotokollen angewandt werden, von denen viele wissenschaftlich nicht als wirksam erwiesen sind. Die neuere Literatur unterstreicht die hohe Inzidenz von insbesondere subklinischer Endometritis in Hochertragsherden. Die Diagnose dieser Beeinträchtigung basiert auf der Entnahme von intrauterinen Proben für die Zytologie, die derzeit nicht routinemäßig durchgeführt wird. Daher berichteten Pascottini et al. über die Verwendung eines Zytotapes, das eine Probenahme früh nach der Geburt und während der Besamung ermöglicht und die Erstellung eines Profils der Uteruszytologie bei Kühen von Wiederholungszüchtern erleichtert. Die allgemein akzeptierte Notwendigkeit, den Einsatz von Antibiotika bei Kühen zu minimieren, sollte auch auf die Behandlung von Gebärmutterinfektionen ausgedehnt werden. Es ist wichtig, die Risikofaktoren für die verschiedenen Gebärmutterkrankheiten zu bestimmen und Präventions- und Kontrollprogramme zu entwerfen, um das Auftreten von Krankheiten zu verringern.

Nutzung der Präzisionsviehhaltung

Brunsterkennung

Traditionelle Ansätze für das Reproduktionsmanagement und den Einsatz der künstlichen Besamung umfassten entweder die visuelle Beobachtung des Brunstverhaltens oder die Verwendung von Besamungsprotokollen mit festen Zeitpunkten (z. B., OVSYNC ).

Um hohe Besamungsraten bei der künstlichen Besamung (AI) zu erreichen, die für das Erreichen eines 365-tägigen Kalbungsintervalls in saisonal kalbenden Herden entscheidend sind, bedarf es eines wirksamen, praktischen Mittels zur Identifizierung jeder Kuh im Brunstzustand. Das Aufstehen zum Aufsitzen gilt als das wichtigste Verhaltensmerkmal zur Identifizierung der Brunst und wird zur Bestimmung des richtigen Besamungszeitpunkts verwendet. Sowohl die körperliche Aktivität als auch das Aufsitzen, die durch die erhöhte Östradiolproduktion während der präovulatorischen Follikelphase ausgelöst werden, können auf verschiedene Weise überwacht werden. Die Brunsterkennungsrate (Submissionsrate) ist von Herde zu Herde unterschiedlich, wobei in der Regel zwischen 30 und 70 % der Kühe, die Brunstverhalten zeigen, im Brunstzustand erkannt werden. Bei optimaler visueller Beobachtung der Brunstaktivität für 20 Minuten fünfmal pro Tag können Brunsterkennungsraten von 90 bis 95 % erreicht werden, was jedoch als mühsam und zeitaufwändig gilt. Bei einer geringeren Beobachtungshäufigkeit werden niedrigere Brunsterkennungsraten erzielt, insbesondere bei Kühen mit höherer Leistung (z. B. nur 70 % der Kühe, die bei zwei oder drei Beobachtungsperioden von 30 Minuten Dauer in der Brunst erkannt werden).

Darüber hinaus ist bei Milchkühen der Rasse Holstein-Friesian mit hoher Leistung der Prozentsatz der Kühe, die sich im Stehen zeigen, um von anderen Kühen bestiegen zu werden, zurückgegangen, so dass es schwieriger ist, Brunst zu erkennen. Roelofs et al. stellten fest, dass nur 58 % der Kühe im Stehen brünstig waren. Dies wiederum verringert die Bereitschaft zur künstlichen Besamung und trägt damit erheblich zu einer geringeren Reproduktionsleistung bei.

Eine erfolgreiche Reproduktionsleistung, die auf der Erkennung des Brunstverhaltens beruht, setzt voraus, dass der Beginn der Brunst bei der Mehrzahl der Kühe genau erkannt und dann 4 bis 16 Stunden später besamt wird. Dies führte zu der gängigen Praxis, Kühe nach der am-pm-Regel zu züchten, die besagt, dass Kühe fünfmal am Tag auf Brunst beobachtet werden, wobei die Kühe, bei denen die Brunst am Morgen einsetzt, noch am selben Abend besamt werden und die Kühe, bei denen die Brunst nach 12.Diejenigen, die nach 12.00 Uhr mittags in die Brunst kommen, werden am nächsten Morgen besamt (Brunstbeginn definiert als der erste Beobachtungszeitraum, in dem die Kuh beobachtet wird, wie sie aufsteht, um von anderen Herdenmitgliedern oder einem Lockbullen bestiegen zu werden).

Der Ansatz der Brunstbeobachtung hat sich für Herden bewährt, die bereit sind, Zeit und Mühe in eine gute und genaue Brunsterkennung zu investieren. Sie erfordert jedoch einen beträchtlichen Arbeitsaufwand, eine gute Kuhidentifizierung und Personal, das in der Brunsterkennung bei Kühen geschult ist.

Sensoren für die Brunsterkennung

In den letzten zwei Jahrzehnten wurden verschiedene Systeme zur Automatisierung der Brunsterkennung mit unterschiedlichem Erfolg entwickelt.

Drucksensoren

Das charakteristische Brunstverhalten der aufzustellenden Tiere kann durch den Einsatz von Systemen wie Rubbelkarten (z.B., Estrotect; Rockway Inc., Spring Valley, WI), Farbampullen (Kamar Products Inc., Zionsville, IN), vasektomierte Bullen, die mit einem Kinnkugelmarker ausgestattet sind, die Verwendung von Schwanzbemalungsmethoden oder das elektronische Gerät HeatWatch.

Aktivitätsmonitore

Eine arbeitssparende Technologie, die den Landwirten zur Verfügung steht, um die Einlieferungsrate zu erhöhen und den Arbeitsaufwand für die Brunsterkennung zu verringern, ist die Verwendung eines Monitors für körperliche Aktivität. Der Schrittzähler, der an einem Bein befestigt wird, erkennt einen Anstieg der Anzahl der Schritte pro Stunde während der Brunst (z. B. S.A.E. Afikim, Kibbutz Afikim, Israel), während die Verwendung eines Halsbandes (z. B., Alpro; DeLaval International AB, Tumba, Schweden; Heatime, SCR, Netanya, Israel; MooMonitor; Dairy Master, Irland) erhöhte körperliche Aktivität (Gehen, Aufsitzen, Aufstehen und Hinlegen) als Aktivitätscluster (AC) identifiziert und den Landwirt darauf hinweist, wann das AC begonnen hat (wenn die Kühe das nächste Mal den Melkstand betreten). Auf diese Weise kann der Landwirt den optimalen Zeitpunkt für die künstliche Besamung bestimmen, der in einem Zeitfenster von 12 bis 18 Stunden vor dem voraussichtlichen Eisprung liegt. Eine kürzlich durchgeführte Studie, bei der das Halsband-Aktivitätsmessgerät Heatime (SCR Engineers Ltd., Netanya, Israel) zum Einsatz kam, ergab, dass sich die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein AC in einer präovulatorischen Follikelphase und nicht in einer Lutealphase befindet, mit jeder Erhöhung der Spitzenaktivität um 1 Einheit um 29 % und mit jeder Verlängerung der Dauer eines AC um 2 Stunden um 91 % erhöht (Abb. 1, Abb. 2). Bei Verwendung eines solchen Aktivitätsmonitors (Heatime) lag der optimale Besamungszeitpunkt zwischen 9 und 15 Stunden nach Auslösung des Aktivitätsclusters.

Endokrine Profilerstellung

Ein kommerziell erhältliches Inline-Messsystem für die endokrine Profilerstellung wurde kürzlich entwickelt (Herd Navigator, Delaval), um Metaboliten und die P4-Konzentration in der Milch zu ermitteln. Mithilfe von Algorithmen können P4-Profile zur Vorhersage von Brunstereignissen und möglicherweise des Trächtigkeitsstatus verwendet werden. Bislang ist diese Technologie jedoch noch relativ teuer, was ihre Verbreitung einschränkt. Darüber hinaus sind ihrer technischen Nützlichkeit Grenzen gesetzt.

i) Das System wurde ursprünglich unter der Annahme entwickelt, dass die P4-Konzentration in der Milch täglich gemessen wird; in der kommerziellen Form wird es jedoch häufig als zu teuer für tägliche Messungen angesehen und wird in Herden, die mit dieser Technologie ausgestattet sind, in der Regel nur zwei- oder einmal wöchentlich verwendet.

ii) Die Follikelphase bei Rindern kann zwischen 3 und 7 Tagen variieren und ist sehr unterschiedlich; selbst bei täglichen Messungen ist der Übergang zur Follikelphase (d. h., Der Übergang zur Follikelphase (d.h. hoher P4-Wert zu niedrigem P4-Wert wird durch den Abfall des P4-Wertes markiert) ist kein guter Prädiktor für den Eisprung oder den Beginn der Brunst und ist daher in der Praxis nicht spezifisch genug für den Zeitpunkt der Besamung. Es können jedoch Kühe in der Follikelphase identifiziert werden, die dann gezielt auf Anzeichen von Brunstverhalten (mit anderen Mitteln) beobachtet werden sollten, um dann den Zeitpunkt der Besamung festzulegen. Wenn nur ein- oder zweimal wöchentlich gemessen wird, ist dies sehr viel weniger nützlich, und bei wöchentlichen Intervallen kann die Follikelphase versehentlich völlig übersehen werden.

iii) Als Methode zur Bestimmung des Trächtigkeitsstatus ist P4 als Nicht-Trächtigkeitstest zuverlässiger als die Bestätigung von trächtigen positiven Kühen. Dies liegt daran, dass ein Abfall von P4 18-24 Tage nach einer korrekt durchgeführten Besamung bedeutet, dass die Kuh nicht trächtig ist. Ein hoher P4-Wert 18-24 Tage nach einer Besamung kann jedoch auf eine Trächtigkeit zurückzuführen sein; oder auf eine falsch getimte Erstbesamung (was bedeutet, dass sich die Kuh jetzt in einer nicht trächtigen Lutealphase befindet); oder auf eine anhaltende CL, die als frühes Trächtigkeitsprofil erscheint, ohne dass eine Trächtigkeit vorliegt (oft in Verbindung mit einer Uterusinfektion); oder auf eine anfängliche Trächtigkeit, gefolgt von einem Embryoverlust, der zu einem hohen Progesteronspiegel führt, ohne dass eine Trächtigkeit vorliegt. In all diesen Fällen hilft eine höhere Messfrequenz (z.B. täglich), diese Probleme zu verringern, aber sie überwindet nicht vollständig die Grenzen der Verwendung von P4 als Indikator für den Trächtigkeitsstatus.

Östrus-Synchronisation und Ovulations-Synchronisation

Traditionelle Östrus-Synchronisationsmethoden (d.h. reine Prostaglandin-Programme und 12-Tage-Progesteron-Programme) wurden entwickelt, um den Östrus zu synchronisieren, erfordern aber im Allgemeinen immer noch die Beobachtung des Östrus, um den Zeitpunkt der Paarung und die Trächtigkeitsraten zu optimieren. Eine Ausnahme bilden zwei Prostaglandininjektionen im Abstand von 11 Tagen bei Jungfärsen, die mit einer zeitlich festgelegten Besamung (FTAI) nach 72 und 96 Stunden oder alternativ nach 72 Stunden arbeiten können. Anschließend wird die Brunst weitere 3 bis 4 Tage lang intensiv beobachtet und die Tiere, die erst spät in die Brunst kommen, als Reaktion auf die stehende Brunst besamt (nach der am-pm-Regel). Dieses Protokoll bei Kühen erforderte eine Brunstbeobachtung nach der zweiten Prostaglandininjektion.

Ovulationssynchronisationsprogramme wurden entwickelt, um die Anwendung von FTAI in Herden zu erleichtern, ohne dass ein erheblicher Zeit- und Arbeitsaufwand in die Brunsterkennung investiert werden musste. Sie wurden ab den frühen 1990er Jahren entwickelt. Sie eignen sich eher für große, nicht saisonale Herden, in denen die Abstände zwischen den einzelnen Abkalbungen für die wirtschaftliche Leistung der Herde weniger relevant sind und die Abkalbezeiten oft über 400-420 Tage hinausgehen können. Das Hauptproblem bei einem grundlegenden Ovulationssynchronisationsprogramm (OVSYNCH) besteht darin, dass die Empfängnisraten nach einer einzigen OVSYNCH-Runde nur etwa 30 % betragen und im europäischen Kontext relativ teuer sind. Es wurden Strategien zur Verbesserung der Trächtigkeitsraten entwickelt (z. B. Double OVSYNCH und Presynchronisation-Ovulationssynchronisation (PRESYNCH-OVSNCH)), die in vielen US-amerikanischen Herden akzeptabel sind (46 bzw. 41 % Empfängnisraten), aber erhebliche Kosten in Bezug auf Zeit, Arzneimittelkosten, Einhaltung der Vorschriften und öffentliche Wahrnehmung (in Bezug auf den routinemäßigen Einsatz von Hormonen in der Rinderproduktion) verursachen, die ihren Einsatz in europäischen Milchviehherden fragwürdig erscheinen lassen. Für saisonale Herden ist die für die Protokolle OVSYNCH, PRESYNCH-OVSYNCH und Double OVSYNCH erforderliche Behandlungszeit im Verhältnis zu den erzielbaren Empfängnisraten zu lang. Progesteronbasierte Programme (z.B., 7- oder 8-Tage-Protokoll), bei denen ein intravaginales Gerät verwendet wird, das GnRH zu Beginn und PGF am Ende (Tag 7) enthält, führen bei gesunden Kühen zu besseren Ergebnissen in Bezug auf die Synchronisierung und die Trächtigkeitsraten.

Trächtigkeitserkennung

Direkte Methoden der Trächtigkeitserkennung

Es gibt verschiedene Methoden zur Bestimmung des Trächtigkeitsstatus, darunter die Rückkehr in den Brunstzustand, das rektale Abtasten des Fortpflanzungstraktes und Ultraschalluntersuchungen zur Beobachtung des Fortpflanzungstraktes. In der Praxis ist die Rückkehr in die Brunst durch die Schwierigkeiten bei der Brunstbeobachtung erschwert, so dass derzeit die meisten Trächtigkeitsnachweise bei Kühen durch Ultraschalluntersuchung des Fortpflanzungstraktes erbracht werden, um das Vorhandensein oder Fehlen des frühen Embryos und der fötalen Flüssigkeit festzustellen. Mit dieser Methode wird der Trächtigkeitsstatus im Allgemeinen ab Tag 28 der Trächtigkeit bestimmt. Diese Methode wird zwar routinemäßig angewandt, ist jedoch zu spät, um eine erneute Befruchtung zum optimalen Zeitpunkt zu ermöglichen (d. h., 18 bis 24 Tage nach der ersten künstlichen Besamung) für nicht trächtige Kühe zu ermöglichen, da der normale Brunstzyklus 18 bis 24 Tage dauert.

Eigentlich würde ein früher Trächtigkeitstest:

• eine hohe Sensitivität haben (d.h. trächtige Kühe korrekt identifizieren)

• eine hohe Spezifität haben (d.h. nichtträchtige Kühe)

• Kostengünstig in der Durchführung

• Ein einfacher kuhseitiger Test (d.h. unter Feldbedingungen anwendbar)

• Trächtigkeitsstatus zeitnah bestimmen (idealerweise zum Zeitpunkt der Durchführung des Tests); (Liste modifiziert von Fricke et al. ).

Indirekte Methoden zum Trächtigkeitsnachweis bei Milchkühen

Indirekte Methoden zur frühen Trächtigkeitsdiagnose verwenden qualitative oder quantitative Messungen von Hormonen oder konzeptus-spezifischen Substanzen in mütterlichen Körperflüssigkeiten als indirekte Indikatoren für das Vorhandensein einer lebensfähigen Trächtigkeit. Zu den im Handel erhältlichen indirekten Methoden zur Trächtigkeitsdiagnose bei Milchkühen gehören Milchprogesterontests und Tests auf trächtigkeitsassoziierte Glykoproteine (PAGs) in Blut oder Milch.

Progesterontests sind nützlicher als ein Test auf Nicht-Trächtigkeit an Tag 21. Als Trächtigkeitstest ist er jedoch ungenau, da die Rückkehr zu niedrigem P4 bei nicht trächtigen Kühen aufgrund der frühen Embryonalverluste sehr variabel ist. Sie wurde kommerziell erprobt, hat aber aufgrund dieser Probleme nicht überlebt. Die Inline-P4-Untersuchung (wie bereits erwähnt) hat Potenzial, wenn die Kosten für wiederholte Analysen wettbewerbsfähig werden können.

Die PAG-Messung ist eine praktikable Methode zur Bestimmung des Trächtigkeitsstatus bei Milchkühen, allerdings ist die Genauigkeit der PAG-Erkennung erst nach dem 35. bis 40. Tag gut. Interferenzen können auch durch PAG-Übertragungen aus der vorangegangenen Trächtigkeit für 40-50 Tage auftreten, was zu einem Risiko von falsch-positiven Ergebnissen führt. Auch nach dem Verlust eines Embryos kann es zu falsch-positiven Ergebnissen kommen.

Die in der britischen Patentanmeldung Nr. 1520248.4 beschriebenen Arbeiten haben zur Entwicklung eines Tests geführt, der auf der Glykan-Diagnostik unter Verwendung der IgG-Fraktion in der Milch basiert. Diese Technologie kann den Schwangerschaftsstatus bereits ab dem 16. Tag nachweisen und hat zu einer vorrangigen Patentanmeldung geführt (eingereicht am 17. November 2015; UK Patent Application No.1520248.4). Die frühzeitige Erkennung des Trächtigkeitsstatus würde eine Strategie ermöglichen, Kühe bis zum 21. Tag nach der ersten erfolglosen Besamung zu resynchronisieren und neu zu besamen (Abb. 3).

Die männliche Seite der Geschichte

Obwohl die meisten Beweise darauf hindeuten, dass der Druck auf die Reproduktionsleistung in modernen Milchviehherden in erster Linie mit den hochproduzierenden weiblichen Tieren zusammenhängt, ist es offensichtlich, dass die Rolle der männlichen Tiere nicht vergessen werden sollte. Während Tierärzte die Bedeutung dieser Seite der Medaille oft übersehen, machen die Landwirte oft Probleme wie die Spermienqualität und die Fachkenntnisse des AI-Technikers dafür verantwortlich, vor allem, weil es in der menschlichen Natur liegt, lieber jemand anderem die Schuld zu geben, als eigene Unzulänglichkeiten zu kritisieren. In einer Studie, in der die Trächtigkeitsergebnisse von 5883 Besamungen untersucht wurden, wurde einer der 35 Bullen, die Sperma lieferten, mit einem 2- bis 2,5-fachen Anstieg der Trächtigkeitsraten in Verbindung gebracht. In einer anderen Studie derselben Gruppe, in der die Schwangerschaftsergebnisse von 10 965 Besamungen untersucht wurden, wurden nicht nur Unterschiede zwischen den Bullen, sondern auch dramatische Unterschiede zwischen den Besamern festgestellt. Die Wahrscheinlichkeit einer Trächtigkeit war fast viermal geringer, wenn eine Kuh vom schlechtesten im Vergleich zum besten Besamer besamt wurde.

Der Erfolg einer Besamung hängt unter anderem davon ab, dass eine angemessene Anzahl von Spermien mit einer guten Befruchtungsfähigkeit an der richtigen Stelle im Reproduktionstrakt zum richtigen Zeitpunkt im Verhältnis zum Eisprung deponiert wird. Das Fruchtbarkeitspotenzial einer künstlichen Besamungsdosis hängt von der Menge, der Qualität und dem Gesundheitszustand des darin enthaltenen Samens ab. Es ist die Aufgabe der AI-Industrie, weiterhin intensive Qualitätskontrollprogramme durchzuführen, um sicherzustellen, dass kryokonservierte Samendosen, die für den Verkauf freigegeben werden, frei von Krankheiten sind und die oben genannten Kriterien erfüllen. Eine umfassende Erhebung über die Aufbereitungspraktiken in Zuchtbetrieben in mehreren Ländern ergab, dass die durchschnittliche kryokonservierte Spermadosis ca. 20 × 106 Spermatozoen enthält. Dies ist schätzungsweise 2 bis 20 Mal höher als die geschätzte Mindestanzahl, die erforderlich ist, um normale Befruchtungsraten zu gewährleisten. Es ist bemerkenswert, dass Bullen, die bekanntermaßen eine marginale Samenqualität produzieren, oft eine unterdurchschnittliche Fruchtbarkeit erreichen, obwohl die Anzahl der Spermien pro Dosis kompensatorisch erhöht wird und umgekehrt.

Im Jahr 2003 überprüfte Pace die technologischen Fortschritte, die von der AI-Industrie seit ihrer Gründung in den späten 1930er Jahren angenommen wurden, und kam zu dem Schluss, dass „die Milchwirtschaft vom technologischen Standpunkt aus gesehen den hochwertigsten Samen erhält, der je produziert wurde“. Die technologischen Fortschritte bei der Samenaufbereitung spiegeln sich in den Befruchtungsraten wider, die bei der Verwendung von kryokonserviertem Samen in den späten 1990er und frühen 2000er Jahren mit denen vergleichbar sind, die in den 1950er Jahren für nicht gefrorenen Samen gemeldet wurden. Zu den innovativen Techniken, die kürzlich in der AI-Industrie erprobt wurden, gehören Kryokonservierungstechniken, die das Überleben der Spermien nach dem Auftauen verbessern und dadurch die Empfindlichkeit gegenüber dem optimalen Zeitpunkt der Besamung verringern. In diesem Zusammenhang wurden die Mikroverkapselung von Spermien für eine dauerhafte Freisetzung oder Techniken zur Verringerung des Ausmaßes der durch die Kryokonservierung induzierten Kapazitation getestet.

Die Verwendung von Samen von Vätern mit nachgewiesener hoher Fruchtbarkeit ist wahrscheinlich die offensichtlichste und einfachste Empfehlung. Wenn man jedoch beginnt, Superfruchtbarkeitsbullen in großem Umfang bei Kühen mit Fruchtbarkeitsproblemen einzusetzen, stellt sich die Frage, inwieweit dies die für diese Bullen gemeldeten Fruchtbarkeitsdaten beeinflussen kann. Die Verwendung von Samen anderer Rassen, bei denen der Fruchtbarkeitsrückgang nicht so stark ausgeprägt ist wie bei der Rasse Holstein, kann ebenfalls als Alternative zur Verbesserung der Fruchtbarkeit der Herde in Betracht gezogen werden, insbesondere wenn Samen von Bullen verwendet wird, die von entsprechend nachkommengeprüften Vererbern aus Rassen mit vergleichbarem Produktionsniveau stammen. Wir sollten jedoch bedenken, dass Kreuzungen nicht per se eine genetische Verbesserung darstellen und dass eine genetische Selektion innerhalb der verwendeten Rassen nach wie vor dringend empfohlen wird.

In jüngster Zeit wurden Berichte veröffentlicht, die zeigen, dass einige Bullen in zeitlich festgelegten AI-Szenarien besser abschneiden als andere. Letzteres sollte die Manager und Tierärzte dazu anregen, die Fruchtbarkeitsdaten ihrer Herde in Bezug auf den Einsatz bestimmter Bullen zu analysieren. Andererseits ist noch nicht bekannt, ob wir auf diese Weise die Selektion in Richtung von Tieren fördern, die besser mit bestimmten Zeitprotokollen zurechtkommen, anstatt die Selektion in Richtung einer verbesserten Fruchtbarkeit anzuregen.

Ein weiterer Faktor ist der Ort der Samenablage. Obwohl der Gebärmutterkörper allgemein als der richtige Ort für die Samenablage anerkannt ist, wurde in einem Versuch, bei dem die Genauigkeit professioneller Besamungstechniker mit Hilfe der Kontrastradiographie bewertet wurde, die Ablage des Samens im Gebärmutterkörper nur in 39 % der Versuche erfolgreich durchgeführt, während der Samen in 25 % der Fälle im Gebärmutterhals deponiert wurde. Während in mehreren Studien eine verbesserte Fruchtbarkeit als Reaktion auf die Hornbesamung beobachtet wurde (tiefe bicornuale Insemination, bei der die volle Inseminationsdosis auf beide Uterushörner aufgeteilt wird, oder tiefe unicornuale Insemination nach einer vorangegangenen Ultraschalluntersuchung zur Erkennung der Lage des ovulatorischen Follikels, um eine ipsilaterale Insemination zu ermöglichen), zeigten die meisten vergleichenden Studien keinen Unterschied. Kürzlich wurde ein neues Gerät entwickelt, das die tiefe intrauterine Insemination erheblich erleichtert, obwohl die Autoren keine besseren Schwangerschaftsergebnisse mit diesem Gerät im Vergleich zur herkömmlichen Insemination im Gebärmutterkörper nachweisen konnten. Die tiefe intrauterine Insemination wurde für die Insemination von geschlechtsspezifisch sortierten Spermien mit geringer Zellzahl getestet. Obwohl sich die Durchflusszytometrie/Zellsortierung als zuverlässiges Verfahren zur Unterscheidung von X- und Y-Chromosomen tragenden Spermien erwiesen hat, wird die Verwendung von geschlechtssortiertem Sperma aufgrund der enttäuschenden Fruchtbarkeitsergebnisse bei mehrgebärenden Tieren häufig nur für nullipare Färsen empfohlen. Als Schlussfolgerung erwähnten DeJarnette et al. bei der Durchsicht der verfügbaren Arbeiten, dass das Hauptaugenmerk darauf liegt, sicherzustellen, dass die Samenablage kranial des inneren Muttermundes erfolgt. Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang die Arbeit von López-Gatius und Hunter, in der die Autoren über die erfolgreiche intrafollikuläre Besamung bei Wiederholungszuchtkühen unter Hitzestress berichten. Die letztgenannte Studie muss jedoch durch weitere Studien bestätigt werden.

Nutzung und Verfügbarkeit von „Big Data“

Gebräuchliche Praxis in der Milchwirtschaft

Vor der „Big Data“-Ära haben Milchforscher erfolgreich Daten aus randomisierten kontrollierten Studien genutzt, um die komplexe Beziehung zwischen Produktion und Reproduktion bei Milchkühen zu untersuchen. Mehrere Beobachtungsstudien wurden durchgeführt, um (metabolische) Risikofaktoren zu identifizieren, die diese Beziehung bei Milchkühen beeinflussen. Zahlreiche Studien wurden in diesem Bereich durchgeführt und erfolgreich in hochrangigen wissenschaftlichen Publikationen veröffentlicht. Wie von Leblanc beschrieben, bedeuten die festgestellten zeitlichen Zusammenhänge jedoch nicht, dass ein ursächlicher Zusammenhang besteht. Viele andere Aspekte der Milchwirtschaft haben sich im Laufe der letzten Jahrzehnte verändert, was die Beziehung verkompliziert. Die Randomisierung schließt eine Beeinflussung nicht aus. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass andere Variablen als die Behandlung unabhängig voneinander mit der Intervention und sogar dem Ergebnis in Verbindung stehen. Obwohl gut konzipierte, randomisierte, kontrollierte klinische Studien nach wie vor der Goldstandard bei der Bewertung experimenteller Behandlungen sind, liegt das Potenzial von Big Data in der Milchwirtschaft in der Kombination von traditionell gesammelten Daten mit diesen neuen Formen von Daten, sowohl auf Tier- als auch auf Populationsebene. In der Humanmedizin wurde diese Art von Daten als Real-World-Evidence bezeichnet. Die bereits erwähnte Fülle an Beweisen aus der realen Welt bei Tieren könnte möglicherweise dazu beitragen, komplexe Zusammenhänge wie den oft beschriebenen Produktions-Reproduktions-Antagonismus bei Milchkühen zu entschlüsseln. Eine kürzlich durchgeführte Umfrage von Rutten et al. dokumentiert genau den Mangel an integrierten Informationen und Entscheidungshilfen für die aktuelle Technologie in der Milchforschung. Bis 2013 wurde keine einzige wissenschaftliche Veröffentlichung in den Bereichen Stoffwechsel und Reproduktion unter Verwendung von „Big Data“ gemeldet. Die Studie bestätigt die wissenschaftlich-methodischen Herausforderungen, die bei der Analyse von Big Data zu beobachten sind.

Die Techniken, die für die Analyse und Visualisierung traditioneller Milchwirtschaftsdaten verwendet werden, sind für Big Data nicht geeignet. Das Volumen, die Geschwindigkeit, die Vielfalt, die Verteiltheit und die inkrementelle Natur solcher Daten stellen die traditionellen Methoden zur Datenanalyse vor Herausforderungen.

Herdfruchtbarkeit und Datenmanagementstrategien

Historisch gesehen lag der Schwerpunkt in der Veterinärmedizin auf der einzelnen Kuh, die von einer klinischen Krankheit betroffen war. Vor etwa 30 Jahren wurde jedoch erkannt, dass subklinische Krankheiten die Hauptursache für wirtschaftliche Verluste in Milchviehherden sind, und die Tierärzte begannen, die multifaktorielle Natur dieser subklinischen Krankheiten zu untersuchen. Es stellte sich heraus, dass sich dadurch der allgemeine Gesundheitszustand der Herde und damit auch die Rentabilität wirksam verbessern ließen. Dieser Ansatz wurde Herdengesundheitsmanagement genannt und wird seit mindestens drei Jahrzehnten in der tierärztlichen Ausbildung angewandt. Im gleichen Zeitraum wurde die Internet- und Kommunikationstechnologie entwickelt und in das Herdengesundheitsmanagement integriert, um das Verständnis der Kuhdaten zu verbessern. Die Erzeugung und Nutzung von Daten über Kühe gibt es seit mehr als 100 Jahren. Der erste Bericht über die Aufzeichnung und Erfassung von Milchproduktionsdaten stammt von einer Vereinigung von Milchbauern in Dänemark aus dem Jahr 1895. Im Jahr 1906 wurde in den USA die erste Vereinigung zur Erfassung von Milchdaten gegründet. Seit den 1950er Jahren werden Computer als Managementinstrument in der Milchviehhaltung eingesetzt. In den folgenden Jahrzehnten hat sich die Software für das Management von Milchviehherden rasch weiterentwickelt, und der Personalcomputer hat sich zu einem wichtigen Managementinstrument für die Überwachung von Produktion, Reproduktion und Gesundheit entwickelt. Die Technologien zur Datenerfassung und -speicherung haben sich schneller weiterentwickelt als die Geschwindigkeit, mit der neue Erkenntnisse in der Milchwirtschaft gewonnen wurden. Das exponentiell gestiegene Volumen und die Geschwindigkeit, mit der Daten erzeugt werden – allgemein als Big Data bezeichnet – hat neue Herausforderungen für die Forschung in der Milchwirtschaft mit sich gebracht. Die Art und Weise, wie Forscher die Macht von Big Data nutzen müssen, steht seit dem Veröffentlichungstrend, der um 2009 begann, im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit. Wie diese Herausforderungen zu bewältigen sind, wird das Hauptthema künftiger Forschung sein.

Verfügbare Daten für Milchpraktiker

1. Offizielle Milcherfassungsorganisationen sammeln 4 bis 8 wöchentliche Milchproben, um Milchbestandteile zu ermitteln. Neuartige Analysemethoden weisen mehr Metaboliten nach, um die (Re-)Produktionsleistung in der Milch zu beurteilen. So wurde z. B. das gesamte mittlere Infrarot-Spektrum (MIR) der Milch als Prädiktor für Krankheiten bei Milchkühen vorgeschlagen. MIR-Vorhersagen sind jetzt für Merkmale der Milchzusammensetzung wie Milchfett, Eiweiß und Fettsäuren verfügbar; weitere Vorhersagegleichungen zur Vorhersage von Treibhausgasen und neuen Leistungs- und Gesundheitsmerkmalen sind in Entwicklung. Diagnostische Dienste analysieren routinemäßig eine Vielzahl von Parametern in Blut-, Milch- und Kotproben von Milchkühen. Seit kurzem sind genomische Informationen sowohl für männliche als auch für weibliche Tiere kommerziell verfügbar, wodurch ein neuer Datensatz entsteht. Diese so genannten sekundären Datenzentren, die hauptsächlich Milchaufzeichnungsdaten, genomische und diagnostische Informationen enthalten, sind in verschiedenen Ländern entstanden und enthalten jeweils eine Teilmenge von Daten, die die reale Welt der Milchkühe repräsentieren.

2. Im landwirtschaftlichen Betrieb sind konventionelle und Roboter-Melksysteme mit immer mehr und besseren Sensoren ausgestattet, die neben der produzierten Milchmenge weitere Informationen erfassen. Inline-Sensoren erfassen die Zusammensetzung der Milch, die Anzahl der somatischen Zellen, die Temperatur und die Farbe. Biosensoren erfassen neue Biomarker wie Progesteron (Fortpflanzung), L-Laktatdehydrogenase (Eutergesundheit), Harnstoff und Beta-Hydroxybutyrat (Stoffwechselgesundheit). Waagen und dreidimensionale Kameras erfassen das Körpergewicht und den Body Condition Score der Tiere während des Melkens. Seit den Anfängen der Sensortechnologie werden Kühe mit Schrittzählern und Beschleunigungsmessern ausgestattet, die die Bewegungen der Tiere aufzeichnen, um bestimmte Verhaltensweisen wie Brunst und Krankheiten bei Milchkühen vorherzusagen. Beispiele für frühe Innovationen, die bei Milchkühen angewandt werden, sind Pansentemperatur- und pH-Bolusse, intravaginale Temperatursensoren und Herzfrequenzmessungen. Der Umfang oder das Format der Daten stellt keine wesentliche Einschränkung mehr dar, so dass die Gesamtmenge der pro Tag erfassten kuhbezogenen Daten rasch zugenommen hat.

Neue Datenquellen in der Milchwirtschaft

1. Die Bedeutung von Umweltfaktoren wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit bei der Reproduktion von Milchkühen ist unbestreitbar. Standortbezogene Daten sind in den letzten Jahrzehnten öffentlich zugänglich geworden, wodurch die Möglichkeit geschaffen wurde, physische Karten und standortbezogene Erkenntnisse über andere verfügbare Daten zu legen. Der Ansatz, Internet-of-Things (IoT)-Geräte in Echtzeit mit der Analyse historischer Daten zu kombinieren, wird in der Milchwirtschaft noch nicht genutzt. So bieten Daten, die von automatisierten Datenloggern für Umweltfaktoren gestreamt werden, neue Anwendungen in Bezug auf die Sammlung und Nutzung von Big Data, um die Entscheidungsfindung und das Management zu verändern.

2. Die Geschwindigkeit und Kapazität von Computerhardware ist gestiegen, während die Kosten gesunken sind. Dies hat zu einer einfacheren Datenerfassung durch preiswerte mobile Geräte und hochverfügbare cloudbasierte Datenzentren geführt, die eine konsistentere und genauere Erfassung von manuell eingegebenen Reproduktions-, Krankheits- und Behandlungsereignissen auf Kuh-Ebene ermöglichen. Die Nutzung dieser Daten zur Erstellung von Prognosemodellen für die Vorhersage von Krankheitsausgängen auf der Grundlage aktueller Behandlungspläne und zur Verfeinerung dieser Modelle in Echtzeit wird die wissenschaftlichen Erkenntnisse über die Wirksamkeit von Behandlungen verbessern, die derzeit auf Beobachtungsstudien beschränkt sind.

3. Darüber hinaus stellen mobil erfasste anekdotische und unstrukturierte Daten von Landwirten, Tierärzten und anderen Quellen ein riesiges Potenzial an ungenutzten Erkenntnissen dar. Heutzutage haben Forscher erkannt, dass 85 % der weltweiten Informationen unstrukturiert sind und eher aus Freiformtexten, Audio- und Videodaten bestehen als aus sauber organisierten, erkennbaren Feldern. Obwohl die Notwendigkeit einer standardisierten Eingabe von Krankheitsdaten schon seit langem erkannt wurde, fehlt es an einer effektiven Umsetzung in aktueller Software. Die Verarbeitung natürlicher Sprache besteht aus mehreren Computertechniken, um Sprache aus maschinenlesbaren, unstrukturierten Texten menschenähnlich zu verarbeiten. Dies wurde bereits erfolgreich in der Humanmedizin angewandt, unseres Wissens aber noch nicht in der Milchwirtschaft. Die Erfassung und Verwertung dieser Daten wird die Analyse und die Erkenntnisse immens bereichern.